表面状态及电解液对Ti6Al4VEJM加工质量的影响.pdf

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1、宋永伟，拓占宇(航空工业西安飞行自动控制研究所，西安710065)【摘要】钛合金广泛应用于航空发动机中，硝酸钠(NaN0。)电解液与氯化钠(NaCl)电解液广泛应用于常规金属材料电化学加工。研究了钛合金在应用电解液喷射加工技术(EJM)时的表现。首先应用这两种电解液对两种不同表面质量的钛合金试件分别进行EJM加工试验，通过分析加工后所得样槽的深宽比、表面粗糙度、氧化物占比以及微观形貌，分析了钛合金原始表面状态以及电解液选用对最终加工精度的影响效果。在此基础上，以不同的顺序组合应用这两种电解液对优选

2、出的钛合金试件再次进行EJM加工试验研究，确定最优的电解液组合应用顺序。两个系列的试验研究，为提高钛合金电化学喷射加工的质量与效率提供了一定的理论和试验依据。关键词：Ti6A14V；表面状态；电解液；电解液喷射加工(EJM)DOI：10．16080巧．issnl671．833x．2017．15．101宋永伟硕士、工程师，2016年获英国诺丁汉大学制造工程与管理专业一等硕士学位。主要研究方向为液压偶件精密、超精密制造技术与特种加工技术。钛合金作为一种优良的金属材料，具有强度高、密度低、耐热、耐腐蚀等

3、优异性能，在航空发动机中应用十分广泛。同时，钛合金具有的低导热性与高化学活泼性等特点使其很难运用传统的方法进行机械加工⋯。电解液喷射加工技术(Elec．trochemicalJetMachining，EJM)作为一种新型的加工方法，具有发热少、无残余应力、加工范围广等优点，可用于加工导电的各种材料，加工后的零件表面质量好、无毛刺，是目前较为热门的研究内容之一【2】。本研究选用钛合金Ti6A14V作为研究对象，通过比较钛合金样件的加工表现，对不同的原始表面状态、电解液以及电解液的使用顺序对EJM加工

4、质量的影响进行研究分析。EJM加工技术EJM源于电化学加工技术(Electro-ChemicalMachining，ECM)，具体过程如图1所示，样件固定于工作台上，电解液通过泵从存储箱中抽出后以一定的速度喷射至工件表面。系统中，工件为阳极，喷嘴为阴极，金属原子在电极的作用下失去电子被氧化，进而溶解于电解液，实现材料的去除与加工[3-61。EJM加工中常用的电解液有氯化钠(NaCl)溶液和硝酸钠(NaNO，)溶液[7-8]不同的电解质溶液以及电解质溶液使用的先后顺序和待加工工件的表面质量等因素对最

5、终的加工精度可能具有一定的影响。EJM精密加工试验1钛合金试件准备为研究钛合金原始表面质量对最终加工精度的影响，本文抛光处理了两组20×20(mm)试件，在去除表面氧化层和污染物的同时，确保其2017年第15期·航空制造技术101具有不同的表面状态。抛光后的试件如图2所示，表面粗糙度值(墨)分别为0．177tzm和1．066仙m。2加工参数选定基于Dan等【31的研究成果，设备优选参数分别为：喷嘴直径妒=250仙ITI；电流密度=550A／cm；喷嘴移动速度0．5mm／s；由喷嘴处测得的电解液流速

6、70ml／min；喷嘴与待加工表面间距离0．5mm。并在系列加工试验中稳定不变，以保证不同试件加工状态的稳定性与一致性。本文选用的NaCl电解液与NaNO，电解液的浓度均为2．5mol，L[卜81。3试验系列13．1设计思路两种钛合金试件上分别用NaCI电解液和NaNO，电解液各加工两个矩形样槽，通过样槽底面的氧化物百分比、表面粗糙度值(最)和样槽的深宽比定量分析试件的加工表现，并对加工后表面的微观形貌进行定性分析。确保第二条样槽数据的重复性，具体思路如表1所示。3．2数据采集与处理本文应用系列检

7、测与分析技术对钛合金试件在EJM加工中的表现进行研究与评估，流程如图3所示。(1)表面氧化物比例分析。大原子质量的成分可产生更多的背闪电子，故在背闪电子方式下拍摄的SEM照片中氧化物的颜色较深，钛合金基体的颜色较亮，如图4所示。这些黑白照片经开源软件ImageJ的颜色阀值功能处理后(设置合适的亮度值)，可将样槽表面覆盖的氧化物从钛合金基体中区分出来，标红高亮显示的同时计算出该区域占总面积的百分比。为保证数值的准确性，分析过程中对样槽两侧参差不齐的边缘进行了修剪，如图5所不。每个样槽上选取5处不同的

8、区域，依上述流程分别计算氧化物占表面积的百分比，最终以均值表征样槽102航空制造技术·2017年第15期表面氧化物比例。氧化物占比越高，继续进行电化学反应的趋势越小，EJM加工越困难。(2)表面氧化物的去除。完成氧化物占比分析后，用树脂毛刷在流动活水下手工去除氧化物，超声清洗25rain(全信号，80℃)。虽然氧化物硬度较高，在不损伤试件基体的情况下很难完全去除，但经过该流程可以更准确地评估样槽的深宽比与表面粗糙度值。(3)几何特征检测。将3D光学显微镜Alicona扫描已加工表面